文章首發： "進程知多少？" @[toc] Java 多線程系列文章第 1 篇 要講線程，一般都得講一講進程，進程是何方神聖呢？下麵來簡單介紹一下。 先通過任務管理器看看 Windows 系統下的進程。 從圖片來看，每一個進程都占有 CPU、記憶體、磁碟、網路等資源。 站在操作系統的角度，進程是分配資 ...
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文章首發：進程知多少？
Java 多線程系列文章第 1 篇
要講線程，一般都得講一講進程，進程是何方神聖呢？下麵來簡單介紹一下。
先通過任務管理器看看 Windows 系統下的進程。
從圖片來看，每一個進程都占有 CPU、記憶體、磁碟、網路等資源。站在操作系統的角度，進程是分配資源的基本單位，也是最小單位。
進程為什麼出現？
引入進程的目的：為了使多個程式能併發執行，以提高資源的利用率和系統的吞吐量。怎麼理解這句話呢？一個程式在運行過程中會涉及很多操作，利用 CPU 計算、通過磁碟 IO 進行數據傳輸等等，我們知道當程式在進行磁碟 IO 的時候，因為速度問題，會比較慢，所在在這個過程中 CPU 會空閑下來，這會造成資源的浪費，正因為引入進程，在 A 進程進行磁碟 IO 的時候，會讓出 CPU 給 B 進程，合理地利用了 CPU 資源，使得程式之間可以併發執行。
從 CPU 角度，執行過程是這樣子的：CPU 一直在負責執行指令，進程之間互相競爭 CPU 資源，下圖有 A 和 B 進程，在一個時間點，CPU 只執行一個進程的指令，因為 CPU 運行很快，所以在咱們看起來，像是多個進程在同時跑。這就是進程帶來的好處：提高資源利用率，併發地執行多個程式。
當然引入進程也不是有益無害，它增加了系統的時間和空間開銷。空間開銷這個好理解，進程有自己的組成部分（下麵會講），這個就占用了空間。時間開銷則是進程切換需要時間。
進程的組成
進程由 3 個部分組成，分別是程式代碼、數據集、棧和進程式控制制塊（Process Control Block）。
各自的作用如下：
- 程式代碼：描述了進程需要完成的功能。
- 數據集、棧：程式在執行時所需要的數據和工作區。
- 進程式控制制塊：包含進程的描述信息和控制信息，它是進程存在的唯一標識。
如何競爭資源（調度演算法）
進程之間需要競爭資源，一般都是競爭 CPU 資源，因為 CPU 運行速度太快了，其他介質都趕不上。有了競爭就需要有規則，就像游戲一樣，每個游戲都需要規則，不同規則會有不同的側重點，這個看過“最強大腦”這個節目的朋友就非常清楚，每道題都有不同的考核側重點，有些是側重空間思維、有些側重邏輯推算等等。下麵我們就簡單地一一講解競爭資源的游戲規則。
FCFS
First In First Out（先來先服務）：最先進入就緒隊列的進程，先運行，運行到完成或者阻塞時，再重新調度。一般情況下，這種調度演算法會和優先順序策略結合，比如每個優先順序一條隊列，每條隊列中的調度都使用 FCFS。
特點：簡單、比較偏於長進程、相對於其他調度演算法平均周轉時間長。
RR
Round Robin（輪轉）：進程按提交順序存在就緒隊列，依次輪流占用 CPU 資源，運行一段固定的時間，時間到後如果還沒執行完，就繼續進入就緒隊列隊尾，排隊等待下次執行。
特點：公平、對進程的響應時間較短。
SPN
Shortest Process Next（最短進程優先）：將預期占用運行時間最短的進程優先執行，直到運行完成或阻塞時，再重新調度。
特點：有利於短進程。
SRT
Shortest Remaining Time（最短剩餘時間優先）：新進程進來時，如果新進程的預計運行時間比當前進程的剩餘運行時間更短，就搶占當前進程，
特點：有利於短進程，和 SPN 的差別在於搶占這個一點，因為搶占，所以效率會比 SPN 好一些。
HRRN
Highest Response Ratio Next（最高響應比優先）：當前運行的進程完成或者阻塞時發生調度，每次調度前，計算所有就緒進程的響應比，響應比高的進程優先運行。
響應比公式如下所示：
特點：有利於短進程，服務時間相同的進程，先來的服務會優先執行，長進程因為在等待的過程中，優先順序越來越高，所以不會一直不執行。
FB
Feedback （反饋）：由多個就緒隊列組成的反饋機制，它有如下規則：
- 在同一個隊列的進程，按 FCFS 演算法調度，最後一個就緒隊列按 RR 演算法調度；
- 優先順序越高的隊列，時間片越小；
- 進程在一個時間片內未運行完，則降到下一個隊列末尾；
- 只有上級隊列無就緒進程時，才運行本級就緒隊列，本級就緒隊列無進程時，才運行下級就緒隊列，以此類推
進程執行過程如下圖所示
特點：短進程有非常大的優勢，排在前面的隊列都是時間較短的。
以上就是幾個搶占資源的調度演算法的說明。
進程狀態
上面我們講到，進程之間是在競爭資源，得到資源就運行，沒得到就等待，這個需要有狀態來維護，像很多系統一樣，需要一個狀態機。
三態圖
三態圖也是描述進程狀態最簡單最基礎的圖，它包含了進程的最基本的 3 個狀態，分別是：就緒態、運行態和阻塞態。
Read（就緒態）：進程已得到除 CPU 以外的其他所需資源。
Running（運行態）：進程的指令正被執行。
Blocked（阻塞態）：進程正等待資源或某事件發生。
就緒態的進程在被調度的時候，進入了運行態，如果時間片運行完或者有更高級別進程搶占資源，則變成就緒態等待再次被調度；如果發生事件（比如 IO 事件），則從運行態轉到阻塞態，進入阻塞態的進程只能等待事件解除重新進入就緒態。
五態圖
基於三態圖，新增了 2 個狀態，分別是：新建態和退出態。
New（新建態）：進程正被創建。分配記憶體後將被設為就緒態。
Exit（退出態）：進程已正常結束或出現異常結束。回收資源。
新進程剛創建還沒有分配資源的時候是新建態，等到分配了資源，被載入後就進入就緒態。當進程運行完後，就從運行態進入退出態。
七態圖
基於五態圖，新增了 2 種掛起態，分別是就緒掛起態和阻塞掛起態。
就緒掛起態：另叫外存就緒態。由於記憶體容量有限，將原位於記憶體的就緒進程轉存到外存（磁碟）上。
阻塞掛起態：另叫外存阻塞態。一樣因為記憶體容量有限，將原位於記憶體的阻塞進程轉存到外存（磁碟）上。
我們可以看出，圖中新增了解除掛起的狀態轉換過程，一般是由於掛起進程優先順序比較高或者記憶體空間足夠，把位於外存（磁碟）的進程轉存到記憶體中。
進程關係
進程之間其實比較獨立，比如我們在日常使用的 QQ 和微信，它們運行起來的進程有什麼關係麽？其實除了互相競爭資源之外，沒有任何關係。
父子關係
雖然上面說的進程之間沒有關係，但是有一個特殊關係需要講，就是父子關係。
先做個試驗，驗證進程的父子關係。操作步驟：
- 打開 CMD 命令行程式，將當前的視窗設置為 Father，在 Father 視窗通過命令
start cmd啟動另一個 CMD 命令行程式； - 將新開的 CMD 命令行程式的視窗設置為 Son，在 Son 視窗通過命令
start cmd啟動另一個 CMD 命令行程式； - 將新開的 CMD 命令行程式的視窗設置為 Grandson。
操作過程如下圖所示。
通過 ProcessExplorer 可以很清晰看到這 3 個 CMD 進程之間的關係。（想要 ProcessExplorer 插件可以通過百度網盤下載鏈接：https://pan.baidu.com/s/19531gf5tD_of1CWxpFR9Dg 提取碼：qhc6）
我們看到 Father、Son、Grandson 三個進程呈現出我們預料中的樹形。那麼什麼是父子進程呢？簡單的說就是在進程中創建出新的進程，這個新的進程就是子進程，一個進程可以有多個子進程，但是只能有一個父進程。在 Unix 系統中，父進程通過調用 fork() 創建子進程，父子進程有如下特點：
- 父、子進程併發執行；
- 父、子進程共用父進程的所有資源；
- 子進程複製父進程的地址空間，甚至有相同的正文段和程式計數器 PC 值；
- 利用寫時複製（Copy On Write）技術減少不必要的複製：fork 時父子共用父空間，當一方試圖修改時才複製。
這裡重點講一下Copy On Write，使用了這個技術，父進程創建子進程的時候不會複製所有數據到子進程，省了複製的時間以及減少了大量的記憶體。這個複製不是必要的，因為如果應用程式在進程複製之後立即載入新程式，那之前的複製工作就是浪費時間和記憶體了。
講了進程父子關係，就免不了提一下僵屍進程和孤兒進程，下麵分別介紹一下。
僵屍進程
僵屍進程：子進程退出後，父進程沒有調用 wait 或 waitpid 獲取子進程的狀態信息，子進程的進程描述符仍保存在系統中，這種進程叫僵屍進程。
僵屍進程的危害：僵屍進程會一直占用進程號，系統能使用的進程號又是有限的，如果有大量的僵屍進程，會因為沒有可用進程號導致無法創建新的進程。
孤兒進程
孤兒進程：父進程結束退出，而它的子進程還在運行，這時的子進程就叫做孤兒進程。孤兒進程就被 init 進程（進程號為 1）收養，init 進程將對孤兒進程完成狀態收集工作。
孤兒進程沒有危害，因為被 init 進程托管了，init 進程會處理孤兒進程的收集工作。
執行模式
指令分為特權指令（只能由操作系統內核使用的指令）和非特權指令（只能由用戶程式使用的指令），因為指令有特權和非特權之分，所以 CPU 也分為 2 種執行模式：系統態（可以執行所有指令，使用所有資源以及改變 CPU 狀態）和用戶態（只能執行非特權指令）。
CPU 的系統態和用戶態之間的切換。
進程間通訊
當進程之間需要數據傳輸、共用數據時，進程間就需要互相通訊，通訊方式有如下幾種，這裡只是簡單概括一下，不展開講，咱的重點在於多線程，進程咱們簡單瞭解一下就可以，感興趣的同學可以根據要點進行深入學習。
管道（Pipe）
管道是半雙工通訊，數據是單向流動，要建立進程間互相通訊，則需要 2 個管道，這種通訊方式只能在親戚關係的進程間使用，比如父子進程。
流管道（Flow Pipe）
流管道是管道進化來的，數據不再是單向流動，可以雙向流動，但是依舊是只能在親戚關係的進程間使用。
有名管道（Named Pipe）
有名管道提供了新的功能，就是給管道設置名字，它改善了上面 2 種管道通訊方式，支持了非親戚關係的進程通訊。
信號量（Semophore）
信號量相當於計數器，利用它來控制多個進程訪問共用資源，當一個進程A在訪問共用資源時，信號量防止其他進程來訪問，只有當進程A不訪問共用資源了，其他進程才能訪問。
信號（Signal）
信號可以在任何時候發給某一進程，不需要知道該進程當前的狀態，如果對方進程未執行，信號會存在內核中，直到進程執行後傳遞給它；如果對方進程是阻塞，則信號會延遲傳遞，等到對方進程阻塞取消後才傳遞給它。
消息隊列（Message Queue）
消息隊列是存放在內核中的鏈表，可以有多個進程對這個鏈表進行寫入和讀取，它解決了信號傳遞信息少、管道只能傳輸無格式位元組流和緩衝區大小受限的缺點。目前有 POSIX 消息隊列和 System V 消息隊列。
共用記憶體（Shared Memory）
共用記憶體即為一段能被其他進程訪問的記憶體，多個進程訪問同一個記憶體，達到了通訊的效果。
套接字（Socket）
套接字就是我們網路編程裡面的那個套接字，可以通過網路也可以在本機進行通信，它的好處在於可以跨主機進行通信。
總結
總的來說，進程是程式在一個數據集上的一次執行過程，它就是程式運行起來的表現。這是我們學習多線程的開篇，希望通過這篇文章，讓大家簡單地瞭解進程是什麼，後面我們再來深入瞭解多線程。
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